熱處理對經濟型高碳馬氏體不銹鋼J50Cr13組織和硬度的影響

魏海霞， 潘吉祥， 紀顯斌， 李照國， 徐 斌

(酒鋼集團 宏興鋼鐵股份有限公司， 甘肅 嘉峪關 735100)

馬氏體不銹鋼是一類可以通過熱處理(淬火和回火)對其性能進行調整的不銹鋼，通俗地講，是一類可硬化的不銹鋼。馬氏體不銹鋼主要元素是Cr、C、Mo及V等。碳在馬氏體不銹鋼中為主要元素，一般在0.10%～1.0%(質量分數，下同)范圍內，其中低碳馬氏體碳含量≤0.15%、中碳馬氏體碳含量0.16%～0.40%、高碳馬氏體的碳含量>0.40%[1]。碳含量越高則強度、硬度和耐磨性越高[2]。主要用于制造對強度、硬度要求高，而對耐蝕性能要求不太高的零部件，如汽輪機葉片、閥片、閥座、醫療器械彈簧以及工具、量具、刀具等[3]。經濟型高碳馬氏體不銹鋼J50Cr13碳質量分數范圍為0.48%～0.54%，經熱處理后，其硬度明顯高于40Cr13鋼，與50Cr15MoV鋼基本相當，但合金成本明顯更低，主要用于高端量具、刀具等[4]。

高碳馬氏體不銹鋼的淬火組織主要由馬氏體、殘留奧氏體和碳化物組成[5]，相關文獻指出馬氏體不銹鋼屬于一種熱處理敏感鋼[6]，淬火溫度的變化對晶粒尺寸、馬氏體形態、殘留奧氏體及碳化物的體積分數和尺寸均有明顯的影響，進而對材料的力學性能產生影響[4]。熱處理對其綜合性能影響很大，對于淬火處理，淬火溫度不能過低，過低溫度淬火會導致碳化物無法完全溶解；過熱淬火會導致晶粒粗大，產生過熱鐵素體[7]。

本文通過實驗室應用箱式電阻爐、光學顯微鏡(OM)以及X射線衍射(XRD)分析技術，以J50Cr13鋼為試驗鋼種，990～1110 ℃為淬火溫度區間，研究了熱處理溫度及冷卻方式對J50Cr13鋼的組織和性能的影響，為下游材料的熱處理生產提供工藝參考。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料及熱處理工藝

研究用材料為2.5 mm厚的J50Cr13鋼成品冷軋板，其化學成分見表1，首先將試樣切割為10塊2.5 mm×50 mm×70 mm的樣板，1～5號樣板于箱式電阻爐中分別在990、1020、1050、1080、1110 ℃保溫10 min然后空冷；6～10號樣板于箱式電阻爐中分別在990、1020、1050、1080、1110 ℃保溫10 min然后水冷。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數，%)

1.2 顯微組織觀察與力學性能測試

顯微組織觀察：對熱處理后不同狀態的試樣進行鑲嵌、磨光、拋光、腐蝕后，采用DMI3000M萊卡光學顯微鏡觀察顯微組織，利用D8-Advance X射線衍射儀分析物相組成，靶材為Cu靶，2θ范圍為10°～120°，角度分辨率為0.0001°。

力學性能測試：按照GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》要求，對熱處理后的試樣進行洛氏硬度試驗，測試前先用砂輪機打磨掉氧化皮和脫碳層，機械拋光后進行測試，為了確保試驗的準確性，不同狀態的試樣測量3次，取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 熱處理對J50Cr13鋼顯微組織和析出相的影響

圖1分別為在990、1020、1050、1080和1110 ℃淬火空冷后試樣的顯微組織，由圖1可以看出，J50Cr13鋼的淬火組織為馬氏體+碳化物+殘留奧氏體，隨著淬火溫度的升高，試驗鋼的組織發生明顯變化，組織中碳化物含量不斷減少，大顆粒的碳化物尺寸減小，馬氏體組織尺寸增加，殘留奧氏體含量不斷增加。

圖1 不同淬火溫度下(空冷)試驗鋼的顯微組織

淬火溫度在990～1050 ℃之間時，處于亞溫淬火區[8]，在此溫度加熱過程中，組織中仍有較多未溶碳化物，組織未能全部奧氏體化[9]，當淬火溫度為1080 ℃時，組織中的碳化物明顯減少，限制奧氏體晶粒長大的碳化物、第二相粒子幾乎完全溶解于基體，奧氏體晶粒顯著增大，馬氏體組織變的粗大，長度、寬度明顯增加。

圖2分別為在990、1020、1050、1080和1110 ℃淬火水冷后試樣的顯微組織，其顯微組織的變化趨勢同淬火空冷一致，并且相同淬火溫度下，對照圖1和圖2可以看出，水冷后的組織和空冷處理后的組織相似。

圖2 不同淬火溫度下(水冷)試驗鋼的顯微組織

對不同淬火處理后的J50Cr13鋼進行XRD物相分析，并選擇1020、1110 ℃時空冷、水冷狀態的物相進行表征，如圖3所示。可以看出，不同溫度、不同冷卻方式下淬火后，鋼中的碳化物類型主要是M23C6。隨著淬火溫度的升高，碳化物不斷地溶解在基體中，碳化物的峰不斷減弱甚至消失，奧氏體相峰由于殘留奧氏體含量的增加而越來越明顯。

圖3 不同淬火溫度下試驗鋼的X射線衍射圖譜

2.2 熱處理對J50Cr13鋼硬度的影響

高碳馬氏體J50Cr13不銹鋼經不同溫度保溫10 min淬火空冷或者水冷后，洛氏硬度隨淬火溫度變化的曲線見圖4。

圖4 不同淬火溫度下試驗鋼的硬度曲線

由圖4可知，空冷處理下，淬火溫度從990 ℃增加至1020 ℃時，硬度值明顯增加，從50.2 HRC增加到53.6 HRC，淬火溫度從1020 ℃上升到1080 ℃時，硬度增加變緩，淬火溫度從1080 ℃增加至1110 ℃時，硬度值開始降低；水冷處理下，淬火溫度從990 ℃增加至1050 ℃時，硬度值明顯增加，從52.8 HRC增加到56.4 HRC，淬火溫度從1050 ℃上升到1080 ℃時，硬度增加變緩，淬火溫度從1080 ℃增加至1110 ℃時，硬度值開始降低。

隨淬火溫度的升高，空冷和水冷后試驗鋼的硬度變化趨勢基本一致，在1080 ℃之前，硬度隨淬火溫度的升高而增加；淬火溫度超過1080 ℃后，硬度隨淬火溫度升高開始降低；經相同淬火溫度處理的試驗鋼，水冷后的硬度值比空冷后的硬度值要高；在淬火溫度為990 ℃時，水冷處理后的硬度和空冷處理的硬度相差最大，近3 HRC，提高淬火溫度，水冷與空冷對試驗鋼硬度的影響逐漸減小；在淬火溫度為1080 ℃時，空冷和水冷的試驗鋼硬度均達最大值。

以上觀察與前文對試驗鋼的組織分析相符，馬氏體不銹鋼的硬度主要受其中碳化物含量和殘留奧氏體含量的影響[10]，淬火溫度升高，碳化物不斷溶解，奧氏體中溶解的碳元素和合金元素不斷增多，這將增加馬氏體中碳的過飽和度和晶格畸變程度，有利于材料硬度的提升，同時由于碳化物的溶解，馬氏體開始轉變溫度降低，第二相粒子對奧氏體晶粒的釘扎作用減小，奧氏體晶粒長大，殘留奧氏體增加，這將不利于硬度的提升。

由淬火后的XRD圖譜可知，試驗鋼淬火后的碳化物主要是M23C6，通常M23C6型碳化物的溶解溫度范圍是1050～1150 ℃[11]，因此在淬火溫度從990 ℃升高至1080 ℃時，碳化物不斷溶解，基體中固溶的碳化物不斷增加，材料硬度增加；淬火溫度達到1080 ℃時，基體中殘留奧氏體含量增加、奧氏體晶粒緩慢長大，硬度值達到峰值；淬火溫度從1080 ℃升高至1110 ℃時，碳化物和其他第二相粒子完全溶解在基體中，阻礙奧氏體晶粒長大的第二相粒子減少，奧氏體晶粒粗化，馬氏體組織變得粗大，殘留奧氏體含量增加，材料硬度下降。

3 結論

1) J50Cr13試驗鋼淬火組織為馬氏體+碳化物+殘留奧氏體，隨著淬火溫度的升高，碳化物不斷溶解入基體中，殘留奧氏體含量增加，馬氏體組織變得粗大。

2) 淬火溫度在990～1080 ℃時，試驗鋼的硬度值隨淬火溫度的升高而升高；淬火溫度高于1080 ℃時，試驗鋼的硬度值開始下降。

3) 相同的淬火溫度下，水冷處理比空冷處理的試驗鋼硬度值要高，990 ℃淬火后空冷、水冷的硬度值相差最大，達到3 HRC，二者的差值隨淬火溫度的升高而減小，在淬火溫度為1110 ℃時，經兩種冷卻方式處理的試驗鋼硬度值幾乎相同。

4) J50Cr13高碳馬氏體不銹鋼的最優淬火溫度為1080 ℃，冷卻方式為水冷。